TiO2納米管陣列的可控制備及氣敏性能研究.pdf

1、陽極氧化TiO2納米管陣列薄膜，因其具有獨特的有序特性及超大的比表面積，在光催化降解有機污染物、染料敏化太陽能電池、光解水制氫、超級電容器、氣敏傳感材料等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價值。本文圍繞陽極氧化工藝制備有序排列的TiO2納米管陣列，從陽極氧化反應(yīng)機理出發(fā)，探求新型高效的陽極氧化工藝，實現(xiàn)了陽極氧化TiO2納米管陣列的可控制備，并在陽極氧化TiO2納米管陣列制備的基礎(chǔ)上，對其進行貴金屬Ag負載修飾改性。采用FESEM、EDS和Elem

2、ents SmartMarpping等表征技術(shù)手段，系統(tǒng)分析了所制備TiO2納米管陣列形貌與陽極氧化工藝參數(shù)之間的關(guān)系，揭示了TiO2納米管陣列可控制備的規(guī)律，并進一步探究了TiO2納米管陣列的氣體敏感特性。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)常規(guī)陽極氧化工藝制備TiO2納米管陣列過程中，當(dāng)氧化電壓過小時(≤10V)，鈦片表面不能形成有序納米管陣列，隨著氧化電壓的增大，相同反應(yīng)時間內(nèi)所制備的TiO2納米管陣列薄膜的膜厚逐漸增大，但是當(dāng)氧

3、化電壓增大到一定的臨界值后，膜層的厚度即納米管管長減小；隨著電解液濃度的增大(由0.05 mol/L增大至0.3 mol/L)，納米管外徑尺寸急劇減小，當(dāng)電解液濃度為0.3 mol/L時，外徑尺寸為最小，其后隨著電解液濃度的持續(xù)增大(由0.3 mol/L增大至0.5 mol/L)，納米管外徑尺寸出現(xiàn)上升現(xiàn)象；TiO2納米管內(nèi)徑隨著電解液濃度的增大，也呈現(xiàn)先增大而后減小的規(guī)律；TiO2納米管的管壁厚度隨著電解液濃度的變化基本呈現(xiàn)先減小后增

4、大的規(guī)律；隨著電解液濃度的持續(xù)增大，納米管管長表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。
　　(2)快速陽極氧化工藝制備TiO2納米管陣列過程中，當(dāng)n(NH4F)：n(Na2CO3)=2:1時，TiO2納米管陣列的自組裝速率最大；快速陽極氧化的各個時間段內(nèi)TiO2納米管陣列平均生長速率有較大的差異，反應(yīng)起始階段，隨著反應(yīng)的逐漸進行，TiO2納米管陣列的平均生長速率迅速增大；當(dāng)反應(yīng)進行至30min時，反應(yīng)速率達到最大值；在快速陽極氧化過程中，當(dāng)氧化

5、電壓較低時，添加劑的加入對反應(yīng)速率的影響不是非常明顯；當(dāng)電壓進一步增大時，添加劑對反應(yīng)速率的加速作用才真正體現(xiàn)出來，Na2CO3添加劑的加入必須結(jié)合較大陽極氧化電壓條件時才能充分發(fā)揮作用。
　　(3)常規(guī)二次陽極氧化工藝制備表面平整的TiO2納米管陣列薄膜研究結(jié)果表明：80V+80V條件下二次陽極氧化所制備的TiO2納米管陣列薄膜具有良好的表面平整性；常規(guī)二次陽極氧化工藝所制備表面平整的TiO2納米管陣列薄膜存在兩大固有的缺陷，即

6、第一次氧化孔和第二次氧化納米孔方向不一致且二次氧化膜層存在大量裂紋。針對這兩種缺陷，本實驗采用原位二次陽極氧化工藝，有效克服常規(guī)二次陽極氧化工藝的固有缺陷，成功實現(xiàn)制備大面積表明平整的TiO2納米管陣列薄膜。
　　(4)采用旋涂-紫外光光照還原AgNO3的方法對所制備TiO2納米管陣列薄膜進行Ag納米顆粒修飾改性，旋涂-紫外光光照還原AgNO3的方法簡單易行，所制備的Ag/TiO2納米管陣列中Ag納米顆粒直徑約為30nm，在TiO

7、2納米管的管口、管中和管底等位置均有Ag納米顆粒的存在，分布均勻程度明顯優(yōu)于脈沖沉積工藝、電化學(xué)沉積工藝及常規(guī)紫外光還原工藝所制備的Ag納米顆粒修飾改性TiO2納米管陣列材料中Ag納米顆粒分布狀態(tài)。
　　(5)進一步研究了TiO2納米管陣列的氣體敏感特性，常規(guī)陽極氧化工藝所制備的TiO2納米管陣列薄膜和旋涂-紫外光光照還原工藝所制備的Ag納米顆粒修飾改性后的TiO2納米管陣列薄膜在較低的測試溫度條件下(≤80℃)，均有一定的氣敏傳